Phân tích vùng khởi động và đặc điểm biểu hiện của họ yếu tố phiên mã YABBY ở cây sắn dưới các điều kiện môi trường khác nhau

Sắn (Manihot esculenta) là một trong những cây lương thực và cây công nghiệp quan trọng tại nhiều quốc gia nhiệt đới, đóng vai trò đảm bảo an ninh lương thực cho hơn 800 triệu người trên thế giới. Mặc dù nổi tiếng với khả năng thích nghi tốt trong điều kiện khô hạn và đất nghèo dinh dưỡng, các cơ chế phân tử giúp cây sắn chống chịu với các điều kiện bất lợi của môi trường vẫn chưa được hiểu đầy đủ. Trong số các nhóm gen điều hòa ở thực vật, họ gen YABBY mã hóa các yếu tố phiên mã đặc hiệu có vai trò quan trọng trong quá trình phát triển hình thái của cây, đồng thời tham gia điều hòa các phản ứng trước các tác nhân bất lợi từ môi trường. Tuy nhiên, chức năng của các gen YABBY ở cây sắn vẫn còn rất ít được nghiên cứu.

Hình 1. Cây sắn được trồng ở hầu khắp vùng miền tại Việt Nam

Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đã tiến hành phân tích toàn diện vùng promoter của 13 gen thuộc họ YABBY đã được xác định trong hệ gen sắn, đồng thời khai thác các bộ dữ liệu phiên mã (RNA-Seq) công bố trên cơ sở dữ liệu GEO-NCBI để đánh giá sự thay đổi biểu hiện của các gen dưới nhiều điều kiện stress khác nhau, bao gồm hạn hán, xử lý PEG6000 mô phỏng hạn và bệnh virus sọc nâu trên sắn (Cassava Brown Streak Disease – CBSD). Việc kết hợp phân tích promoter với dữ liệu biểu hiện gen đã cho phép dự đoán chức năng của từng thành viên trong họ gen YABBY mà không cần thực hiện các thí nghiệm chuyển gen hoặc chỉnh sửa gen.

Bảng 1. Tổng hợp các phần tử điều hòa cis đáp ứng với hormone thực vật và stress được xác định trong vùng promoter của họ gen YABBY ở cây sắn

Kết quả nghiên cứu cho thấy vùng promoter của các gen YABBY chứa nhiều phần tử điều hòa cis (cis-regulatory elements) liên quan đến đáp ứng với các yếu tố bất lợi và tín hiệu hormone thực vật. Đáng chú ý, các phần tử như LTRE (Phần tử điều hòa cis đáp ứng với nhiệt độ thấp) và MYBRS (Vị trí gắn của yếu tố phiên mã MYB) được xác định có liên quan đến khả năng đáp ứng với nhiệt độ thấp và hạn hán, trong khi các phần tử ABRE (Phần tử điều hòa cis đáp ứng với abscisic acid), TGACG-motif (Phần tử điều hòa cis đáp ứng với methyl jasmonate- TGACG), CGTCA-motif (Phần tử điều hòa cis đáp ứng với methyl jasmonate- CGTCA), P-box (Phần tử điều hòa cis đáp ứng với gibberellin), TGA-box (Phần tử điều hòa cis đáp ứng với auxin) và TCA-element (TCA-Phần tử điều hòa cis đáp ứng với salicylic acid) phản ánh sự tham gia của các hormone thực vật như abscisic acid (ABA), methyl jasmonate, auxin, gibberellin và salicylic acid trong quá trình điều hòa biểu hiện của các gen YABBY. Những kết quả này cho thấy họ gen YABBY có khả năng tham gia vào mạng lưới điều hòa phức tạp giữa tín hiệu hormone và các đáp ứng thích nghi với môi trường.

Phân tích dữ liệu RNA-Seq dưới điều kiện hạn hán cho thấy nhiều gen YABBY có sự thay đổi biểu hiện rõ rệt. Một số gen như MeYABBY02, MeYABBY07 và MeYABBY12 được tăng cường biểu hiện, trong khi MeYABBY03, MeYABBY11 và đặc biệt là MeYABBY13 bị giảm biểu hiện rất mạnh, trong đó MeYABBY13 giảm tới hơn 260 lần so với đối chứng. Những thay đổi này cho thấy các gen YABBY có thể tham gia điều hòa quá trình thích nghi của cây sắn với điều kiện thiếu nước, góp phần duy trì cân bằng sinh lý và nâng cao hiệu quả sử dụng nước trong điều kiện khô hạn.

Hình 2. Sự thay đổi biểu hiện của các gen mã hóa họ yếu tố phiên mã YABBY trong lá cây sắn dưới điều kiện hạn hán

Ở thí nghiệm mô phỏng hạn bằng PEG6000, biểu hiện của các gen YABBY cũng thay đổi theo từng loại mô và thời điểm xử lý. Một số gen giảm biểu hiện ở rễ và lá, trong khi một số khác được cảm ứng tăng ở các mô nhất định sau khi xử lý. Điều này cho thấy cơ chế điều hòa của họ gen YABBY mang tính đặc hiệu theo mô và phụ thuộc vào thời gian cây tiếp xúc với điều kiện stress, phản ánh vai trò đa dạng của các yếu tố phiên mã này trong quá trình thích nghi của cây sắn.

Hình 3. Sự thay đổi biểu hiện của các gen mã hóa họ yếu tố phiên mã YABBY trong mẫu rễ và lá cây sắn dưới điều kiện xử lý bằng PEG 6000

Đối với stress sinh học, khi cây sắn bị nhiễm virus gây bệnh sọc nâu (CBSD), hầu hết các gen YABBY đều thay đổi mức độ biểu hiện. Đặc biệt, MeYABBY06 giảm biểu hiện khoảng 49 lần, gợi ý đây có thể là một gen quan trọng tham gia điều hòa phản ứng phòng vệ của cây trước tác nhân gây bệnh. Kết quả này mở ra triển vọng nghiên cứu sâu hơn về vai trò của MeYABBY06 trong cơ chế kháng bệnh ở cây sắn.

Hình 4. Sự thay đổi biểu hiện của các gen mã hóa họ yếu tố phiên mã YABBY trong lá cây sắn dưới điều kiện gây nhiễm bệnh sọc nâu trên sắn (Cassava brown streak disease, CBSD)

Nhìn chung, nghiên cứu đã cung cấp những bằng chứng đầu tiên về mối liên hệ giữa cấu trúc vùng promoter và sự thay đổi biểu hiện của toàn bộ họ gen YABBY ở cây sắn dưới các điều kiện stress phi sinh học và sinh học. Các kết quả thu được không chỉ góp phần làm sáng tỏ cơ chế phân tử điều hòa khả năng chống chịu của cây sắn mà còn xác định được nhiều gen ứng viên tiềm năng như MeYABBY02, MeYABBY06, MeYABBY12 và MeYABBY13 cho các nghiên cứu chức năng trong tương lai. Đây là nguồn dữ liệu có giá trị phục vụ chọn tạo giống sắn chống chịu hạn, thích ứng với biến đổi khí hậu và nâng cao năng suất, đồng thời tạo tiền đề cho việc ứng dụng các công nghệ sinh học hiện đại như chỉnh sửa gen và chọn giống phân tử trong cải tiến giống sắn.

Theo Tống Văn Hải và cs., (2025) từ  VJAS 2025; 8(1): 2395-2403